СПОСОБ КОРРЕКЦИИ АМПЛИТУДНО-ФАЗОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРВИЧНЫХ КАНАЛОВ ПЛОСКОЙ ЦИФРОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ Российский патент 1998 года по МПК H01Q3/36 G01R29/10 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радио- и гидролокации, системах спутниковой связи при обработке сигналов цифровых антенных решеток (ЦАР).

В настоящее время наиболее перспективным типом антенных устройств следует признать ЦАР, подтверждением чему служат многочисленные публикации [1, 2, 3, 4]. Для реализации высоких возможностей таких систем приемные каналы многолучевой диаграммо-образующей схемы (ДОС) должны обладать идентичными амплитудно-фазовыми и частотными характеристиками, поскольку "любая система, в которой хотя бы частично процесс формирования луча осуществляется вне первичных приемных каналов, чувствительна к фазовым и амплитудным ошибкам в приемных каналах и в антенне" [2, c. 6]. Следует отметить, что не менее остро подобная проблема стоит и в отношении фазированных антенных решеток (ФАР) [5] . Однако в отличие от таковых цифровой метод формирования лучей в ЦАР позволяет более эффективно осуществить компенсацию погрешностей в амплитудно-фазовом распределении поля на раскрыве антенны без жестких ограничений "в абсолютных допусках на параметры приемных каналов и использования контроля по цепям обратной связи" [2, 6].

Среди известных способов коррекции амплитудно-фазовых характеристик каналов многоканального анализатора можно указать способ, реализовавный в устройствах [6, 7] . Суть его сводится к тому, что фазы выходных сигналов соседних каналов сравниваются в фазовых детекторах, после чего управляющие сигналы, пропорциональные их разностям, поступают на соответствующие управляемые фазовращатели. В результате разность фаз соседних каналов уменьшается, и их выходные сигналы поддерживаются синфазными.

Ограниченность данного подхода состоит в ориентации на коррекцию лишь фазовых ошибок без компенсации амплитудных искажений.

Далеко не лучшим является и сам метод устранения фазовых различий, требующий установки в первичных каналах управляемых фазовращателей и фазовых детекторов, и тем самым заведомо обреченный на большие систематические погрешности из-за неидентичности характеристик указанных фазовращателей и дискриминаторов фазы.

Негативную роль играет большая величина дискрета приращения фазы при цифровом управлении фазовращателями. И наконец, весьма существенно, что в случае антенной решетки синфазность напряжений по выходу первичных каналов будет иметь место только при расположении источника контрольного сигнала на нормали к полотну антенны. В иных же условиях применение рассматриваемого устройства вызовет смещенность оценок угловых координат пеленгуемых объектов.

Другой способ автоматической стабилизации амплитудно-фазовых характеристик 25 приемных каналов, нагруженных на резистивную ДОС, предложен в [8]. Суть его сводится к тому, что на вход каналов антенной решетки через направленные ответвители непрерывно подается контрольный пилот-сигнал, разнесенный по частоте от частоты входного сигнала на величину f_пч2. Контрольный и входной сигналы одновременно проходят все приемные цепи каждого канала, включая первый преобразователь частоты, при этом оба сигнала подвергаются одинаковым воздействиям. Перед вторым преобразователем частоты производится разделение частот, и далее пилот-сигнал используется в качестве второго гетеродинного напряжения. В результате на разностной частоте происходит вычитание фазовых набегов по входному и выходному сигналам, обеспечивая тем самым фазовую стабильность каналов.

Данный способ позволяет добиться идентичности широкополосных приемных трактов в случае, если время запаздывания сигналов в них при разносе по частоте на Δf = f_пч2 будет сделано достаточно близким. Кроме того, жесткие требования налагаются на стабильность колебаний гетеродина f_пч1 и пилот-сигнала, иначе последний может просто не попасть в полосу пропускания УПЧ-1.

Среди недостатков способа [8] следует указать также сложность технической реализации полосового фильтра, предназначенного для сепарации пилот-сигнала. Однако самым серьезным ограничением является невозможность применения способа при оцифровке сигналов на высокой частоте (10 МГц и более), поскольку величина f_пч2 должна быть относительно малой, дабы существенно не расширять полосу пропускания УПЧ-1. Это вызвано тем, что расширение полосы снижает помехозащищенность РЛС, и не способствует устранению амплитудных искажений (выдержать одинаковым коэффициент усиления приемника при разносе частот на 10 МГц и более практически невозможно).

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ коррекции амплитудно-фазовых характеристик первичных каналов плоской цифровой антенной решетки (ЦАР), предложенный в [9] и включающий подачу калибровочного сигнала на вход ЦАР, аналого-цифровое преобразование сигнала в каждом канале, выделение квадратурных составляющих откликов первичных каналов, определение коэффициентов коррекции по комплексным неапряжениям откликов первичных каналов на калибровочный сигнал, их запоминание и последующее использование для взвешивания напряжений выходных сигналов приемных каналов. В способе-прототипе калибровочный сигнал подается на вход антенной решетки с помощью вспомогательной антенны в ближней (дальней) зоне либо через откалиброванные линии, проложенные вдоль раскрыва. Это позволяет включить в цепь коррекции ошибки из-за разброса характеристик антенных элементов и рассогласования фидерных трактов. Вспомогательная антенна должна иметь определенную направленность, "чтобы она облучала раскрыв основной антенны, не облучая окружающих предметов, переотражения от которых могут попасть в раскрыв и нарушить требуемое распределение калибрующего поля" [9].

Коэффициенты коррекции определяются по известному тестовому распределению сигналов на входах приемников, имеющему вид

и их выходным откликам

путем выполнения аналого-цифрового преобразования сигналов в каждом канале и последующего формирования диагональной матрицы коэффициентов коррекции С с элементами

Полученные весовые коэффициенты используют для взвешивания напряжений сигналов, принятых при обычной работе по выходу приемных каналов, т.е. весовой вектор w, требуемый для формирования заданной формы луча в заданном направлении корректируется так, что фактически принимает вид С • W.

Очевидными недостатками способа-прототипа являются неоптимальность коэффициентов коррекции, необходимость точного измерения напряжения сигналов на входах приемников X', что технически достаточно сложно. При этом точность расчета коэффициентов коррекции определяется точностью измерения абсолютных значений входных сигналов, а это крайне нежелательно. Гораздо удачнее было бы привязаться к информации об относительном распределении поля вдоль полотна решетки, связанному с направлением на калибровочный источник, а информацию об амплитуде калибровочного сигнала на входах приемников получать косвенным образом, по напряжениям выходных сигналов. Именно этот прием и положен в основу предлагаемого способа.

Сущность изобретения заключается в том, что квадратурные составляющие коэффициентов коррекции определяют по серии из N временных отсчетов в соответствии с выражением
αCrq

и αSrq
где - соответственно косинусная и синусная составляющие коэффициента коррекции rq-го первичного канала ЦАР, расположенного в r-той строке q-го столбца;


- квадратурные составляющие отклика rq-го первичного канала ЦАР в i-м отсчете времени;
x_r, x_q - обобщенные координаты калибрующего источника относительно нормали ЦАР;
λ - длина волны излучения калибрующего источника;
d_r, d_q - расстояние между элементами решетки соответственно в строке и в столбце;
R, Q - количество элементов решетки соответственно в строке и столбце;
β,ε - угловые координаты калибрующего источника относительно нормали ЦАР;

а взвешивание напряжений выходных сигналов первичных каналов при обычной работе на полученные коэффициенты коррекции осуществляют путем формирования напряжений вида

Существенным отличием изобретения является оптимальность коэффициентов коррекции в смысле метода наименьших квадратов. В этом несложно убедиться если минимизировать функционал, соответствующий плоской ЦАР

- откорректированные квадратурные составляющие напряжений по выходу первичных каналов;
- требуемые квадратурные составляющие напряжения по выходу rq-гo первичного канала в i-м отсчете времени, соответствующие заданному положению калибровочного источника относительно плоскости ЦАР (координатам x_r и x_q).

Следуя предписанию метода наименьших квадратов, на основании (3) получим систему уравнений

результатом решения которой являются коэффициенты


Учитывая, что на самом деле

решение системы уравнений (4) получим в виде

Отсюда несложно придти к выражению (1), если использовать косвенную оценку квадратурных составляющих амплитуды сигнала калибровочного источника по выходным напряжениям первичных каналов для требуемого распределения поля на раскрыве решетки

В случае линейной эквидистантной ЦАР, являющейся частным случаем рассмотренной плоской антенной решетки, процедура расчета коэффициентов коррекции существенно упрощается. При этом во входящих в выражения (1) величинах следует опустить индекс q, равный в данном случае единице. В результате они примут вид

Аналогичные изменения произойдут и в выражениях (2)

Количество операций заявляемого способа может быть существенно сокращено, если установить калибровочный источник на направлении нормали к решетке. При таком расположении источника его обобщенные координаты x_r = x_q = 0. В этом случае, применительно к плоской ЦАР, расчет коэффициентов коррекции выполняется согласно (1) с учетом

При Q = 1 (линейная ЦАР) для источника на нормали x_r = 0 и

Присутствующая в выражениях (5), (6) операция квадратурных составляющих откликов вторичных каналов или оправдывает себя при небольших неидентичностях фазово-амплитудных характеристик первичных каналов. При больших же разбросах указанные суммы не отражают истинной картины об отношении сигнал/шум на входе антенны и могут вовсе обратиться в ноль. Данный прием не может быть использован при выходе из строя части приемных каналов или наличии сбоев в работе некоторых из них. Кроме того, подробное суммирование в любом случае усложняет процесс коррекции характеристик первичных каналов.

С учетом сказанного, в ряде задач, например на стадии изготовления опытных образцов, предпочтительной является коррекция фазово-амплитудных характеристик первичных каналов не под средний, гипотетический канал, а под какой-нибудь реальный приемник из числа имеющихся в составе решетки, выбранный в качестве эталонного, например, из соображений минимального коэффициента шума, отсутствия сбоев в работе цифровой части и т. п.

В этом случае за расчетные соотношения для необходимо подставить значения R = 1 и Q = 1. В результате из соотношений (5), (6) для следуют выражения

где - квадратурные составляющие выходных напряжений эталонного канала в i-й момент времени.

Следует отметить, что коэффициенты коррекции могут быть определены и по напряжениям откликов первичных каналов на пилот-сигнал в одном временном отсчете, для этого в соотношениях (1) следует задавать N = 1.

Для подтверждения реализуемости заявляемого способа коррекции и доказательства его работоспособности был использован действующий экспериментальный образец 8-канальный линейной ЦАР сантиметрового диапазона, в которой аналого-цифровое преобразование сигналов производится на промежуточной частоте.

На фиг. 1 представлена функциональная схема лабораторного комплекса РЛС на базе ЦАР, где использованы следующие сокращения: СМ_n смеситель n-го цифрового приемного модуля (n = 1, 2,...8), УПЧ_n - усилитель промежуточной частоты, АЦП_n - аналого-цифровой преобразователь, ЦФРК_n - цифровой фильтр разделения квадратур.

На фиг. 2 - 6 - внешний вид основных элементов ЦАР: СВЧ - часть 8-элементной линейной антенной решетки (справа) и комплект УПЧ 8-ми цифровых приемных модулей (слева) - фиг. 2; цифровые приемные модули под различным ракурсом - фиг. 3, 4; буферное оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) и устройство управления ЦАР с адаптером ПЭВМ - фиг. 5, 6.

Устройство управления позволяет дешифрировать команды управления, поступающие из ПЭВМ, и далее транслировать их непосредственным адресатам, устанавливая требуемый режим работы ЦАР. При этом обеспечивается возможность контроля исправности БОЗУ и цифровых приемных модулей, оптимизация полосы пропускания ЦФРК, выдача требуемой сетки синхроимпульсов.

ПЭВМ выполняет роль управляющего и обрабатывающего вычислителя. Она обеспечивает управление режимами работы ЦАР, реализацию различных вариантов заявляемого способа коррекции амплитудно-фазовых характеристик первичных каналов, формирование диаграммы направленности ЦАР, выполнение измерительных процедур, статистический анализ результатов эксперимента и их документированию.

Что касается назначения остальных элементов ЦАР, то названия таковых достаточно полно отражают их роль в составе экспериментального комплекса и не нуждаются в комментариях.

На фиг. 7 представлена диаграмма направленности экспериментальной ЦАР на калибровочный источник, установленный на нормали к ее полотну, до проведения коррекции.

На фиг. 8 идеальный вид диаграммы направленности ЦАР, соответствующий этому случаю.

На фиг. 9 - один из результатов коррекции амплитудно-фазовых характеристик первичных каналов экспериментальной ЦАР заявляемым способом при расположении полезного источника на нормали к решетке.

Таким образом, экспериментальная проверка полностью подтвердила работоспособность и реализуемость предлагаемого способа коррекции.

Литература:
1. Valentine Р. Digital beamforming: new technology for tomorrow's radars//Defense Electonics.- 1984. - X, N 10. - P. 102 - 107. (Сокращенный перевод: Цифровое формирование лучей ДН в перспективных РЛС: Экспресс-информация// Радиоэлектроника за рубежом/ НИИЭИР. - 1085. - Выл. 13.- С. 7-10).

2. Barton Р. Digital beamforming for radar//IEE Proc. - 1980. - Vol. 127, Pt. F, N 4. - Р. 266 - 277. (Перевод: Бартон П. Цифровое формирование луча / Пер. Митяшев М. Б. ГОНТИ. 1984. Технический перевод N 196. инв. 279/84.)
3. Ruvin А. E., Weinberg L. Digital multiple beamforming techniques for radar: EASCON'78 Record.//IEEE Electronics and Aerospace Systems Convention. -Arlington, Sept. 25 - 27, 1978.- P.152 - 163. (Сокращенный перевод: Цифровые методы формирования многолучевой диаграммы направленности для радиолокатора: Экспресс-информация. Радиотехника СВЧ/ВИНИТИ. - 1979. - N 34).

4. Евстропов Г.А., Иммореев И.Я. Цифровые методы формирования диаграмм направленности приемных антенных решеток. Проблемы антенной техники /Под ред. Л. Д. Бахраха, Д.И Воскресенского. - М.: Радио и связь, 1989, c. 88 - 106.

5. Шишов Ю.А., Голик А.М., и др. Адаптация ФАР по результатам встроенного контроля (Обзор)//Зарубежная радиоэлектроника, N 9. 1990, c. 69 - 89.

6. Авт. св. СССР N 1487113, МКИ H 01 Q 3/26. Устройство автоматической стабилизации фаз сигналов многоканального тракта. Есин С.В., Качанов В.И., Пирхавка А.П., БИ, N 22, 1989.

7. Авт. св. СССР N 1269259, МКИ H 0З L 7/00. Устройство автоматического фазирования многоканального СВЧ-усилителя. Есин С.В., Качанов В.И. - БИ, N 41, 1986.

8. Villiam Р.L. Multiple channel receivers for I.F. beam forming/ International Conference Rаdаr-77, 1977, London, Oktober, - P. 427 - 431.

9. Barton P. Digital beamforming for radar//IEE Proc.- 1980.- Vol. 127, Pt. F, N 4. - P. 266 - 277. (Перевод: Бартон П. Цифровое формирование луча / Пер. Митяшев М. Б. ГОНТИ. 1984. Технический перевод N 196. инв. 279/84. с. 30-31 - прототип.

Использование: в радиотехнике и радио- и гидролокации, системах спутниковой связи. Способ коррекции основан на подаче калибровочного сигнала на вход антенной решетки, выполнении аналого-цифрового преобразования сигналов, выделении их квадратурных составляющих, получении по комплексным напряжениям откликов первичных каналов на калибровочный источник коэффициентов коррекции, их запоминании и последующем использовании для взвешивания напряжений выходных сигналов при обычной работе, отличается тем, что квадратурные составляющие коэффициентов коррекции определяют по серии из N временных отсчетов в виде:

где αC(S)rq

- косинусная (синусная) составляющая коэффициента коррекции rq-го первичного канала ЦАР, расположенного в r-ой строке q-го столбца;

- квадратурные составляющие отклика rq-го первичного канала ЦАР в i-м отсчете времени; x_r, x_ч - обобщенные координаты калибрующего источника относительно нормали ЦАР; λ - длина волны излучения калибрующего источника; d_r, d_q - расстояние между элементами решетки в строке и столбце; R, Q - количество элементов в строке и столбце ЦАР; β,ε - угловые координаты калибрующего источника;

9 ил.

Способ коррекции амплитудно-фазовых характеристик первичных каналов плоской цифровой антенной решетки (ЦАР), включающий подачу калибровочного сигнала на вход ЦАР, аналого-цифровое преобразование сигнала в каждом канале, выделение квадратурных составляющих откликов первичных каналов, определение коэффициентов коррекции по комплексным напряжениям откликов первичных каналов на калибровочный сигнал, их запоминание и последующее использование для взвешивания напряжений выходных сигналов приемных каналов, отличающийся тем, что квадратурные составляющие коэффициентов коррекции определяют по серии из N временных отсчетов в соответствии с выражением


где αcrq

и αSrq - соответственно косинусная и синусная составляющие коэффициента коррекции rq-го первичного канала ЦАР, расположенного в r-той строке q-го столбца;




квадратурные составляющие отклика rq-го первичного канала ЦАР в i-м отсчете времени;
X_r, X_q обобщенные координаты калибрующего источника относительно нормали ЦАР;
λ -длина волны излучения калибрующего источника;
d_r, d_q расстояние между элементами решетки соответственно в строке и в столбце;
R, Q количество элементов решетки соответственно в строке и столбце;
β,ε -угловые координаты калибрующего источника относительно нормали ЦАР;


а взвешивание напряжений выходных сигналов первичных каналов при обычной работе на полученные коэффициенты коррекции осуществляют путем формирования напряжений вида

т